線虫の塩走性行動における時間的多重化の4Dイメージング解析

2019 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 18K14848
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 豊島 有 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (10632341)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: システム生物学 / 機能的全脳イメージング / 神経情報処理 / モデル化とシミュレーション / 線虫

研究実績の概要

本研究では、行動中の線虫の神経活動の包括的な観測を通じて、塩走性に関わるピルエット機構と風見鶏機構の使い分けについて信号の時間的多重化が利用されているか確かめることを目指す。
2019年度は、線虫を保定する微小流路を改良し、線虫が頭部を自由に振ることができる状態で、繰り返し刺激を与えながら神経活動を観察することに成功した。二次介在神経については、頭部の動きが大きいときほど、刺激に対する神経応答が強くなることがわかった。また刺激が与えられるタイミングによって頭部の動きの傾向が異なる様子も観察された。こうした活動や応答が時間的多重化とどのように関係しているか、数理モデルも含めて検討を進めている。
また自由行動中の線虫の神経活動を包括的に観測するために必要な顕微鏡の開発が遅延したため、研究期間延長を申請した。スピニングディスク型共焦点顕微鏡に改良を加えることで代替できる可能性があるか検討した。
保定下の線虫の頭部神経を包括的に観測した動画像から、各々の神経活動を抽出し、神経回路に割り当てる手法の整備をすすめた。動画像中の細胞を検出・追跡して神経活動を抽出する手法は、大きな変形への耐性を持たせることで、自由行動中の線虫の動画像にも適用できるよう配慮しつつ、追跡精度を向上させるなど改良を進めた。また、動画像中で検出された細胞を既存の神経細胞に割り当てる方法を論文にまとめて発表し、ソフトウェアを公開した。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

自由行動中の線虫の神経活動を包括的に観測するために必要な顕微鏡の開発が遅延したため、研究期間延長を申請した。

今後の研究の推進方策

今年度開発した微小流路を用いて、二次介在神経や運動神経の活動計測をすすめる。
顕微鏡の開発の遅延については、スピニングディスク型共焦点顕微鏡に改良を加えることで代替することも視野に検討をすすめる。

次年度使用額が生じた理由

自由行動中の線虫の神経活動を包括的に観測するために必要な顕微鏡の開発が遅延したため、研究期間延長を申請した。スピニングディスク型共焦点顕微鏡に改良を加えることで代替できるか検討する。

研究成果

• [雑誌論文] Neuron ID dataset facilitates neuronal annotation for whole-brain activity imaging of C. elegans (2020)
  • 著者名/発表者名: Yu Toyoshima, Stephen Wu, Manami Kanamori, Hirofumi Sato, Moon Sun Jang, Suzu Oe, Yuko Murakami, Takayuki Teramoto, Chanhyun Park, Yuishi Iwasaki, Takeshi Ishihara, Ryo Yoshida & Yuichi Iino
  • 雑誌名: BMC Biology 巻: 18 ページ: 30
  • DOI: 10.1186/s12915-020-0745-2
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Multiple sensory neurons mediate starvation-dependent aversive navigation in Caenorhabditis elegans (2019)
  • 著者名/発表者名: Moon Sun Jang, Yu Toyoshima, Masahiro Tomioka, Hirofumi Kunitomo, Yuichi Iino
  • 雑誌名: PNAS 巻: 116 ページ: 18673-18683
  • DOI: 10.1073/pnas.1821716116
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 自由行動中の生物の機能的全脳計測に適した高精度な細胞追跡手法 (2019)
  • 著者名/発表者名: 豊島 有, Stephen Wu, 佐藤 研, 滝沢 拓己, 徳永 旭将, 広瀬 修, 金森 真奈美, 佐藤 博文, 寺本 孝行, Jang Moon-Sun, 久下 小百合, 石原 健, 吉田 亮, 飯野 雄一
  • 学会等名: 新学術領域「レゾナンスバイオ」班会議
• [学会発表] (Bio-image informatics for whole-brain activity imaging of C. elegans) (2019)
  • 著者名/発表者名: Yu Toyoshima
  • 学会等名: 22nd International Worm Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] 線虫全脳の機能的イメージングと動態解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 豊島 有, Wu Stephen, 金森 真奈美, 佐藤 博文, Jang Moon Sun, 村上 悠子, 大江 紗, 徳永 旭将, 広瀬 修, 久下 小百合, 寺本 孝行, 岩崎 唯史, 吉田 亮, 石原 健, 飯野 雄一
  • 学会等名: 第44回レーザー顕微鏡研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Exploring the origin of brain and central nervous system through monitoring the neural activity of the whole animal (2019)
  • 著者名/発表者名: Yu Toyoshima, Hirofumi Sato, Manami Kanamori, Stephen Wu, Moon Sun Jang, Suzu Oe, Yuko Murakami, Terumasa Tokunaga, Osamu Hirose, Sayuri Kuge, Takayuki Teramoto, Yuishi Iwasaki, Ryo Yoshida, Takeshi Ishihara, Yuichi Iino
  • 学会等名: 第42回日本神経科学大会
• [学会発表] Bio-image informatics for whole brain activity imaging and analysis of neural activity of C. elegans (2019)
  • 著者名/発表者名: Yu Toyoshima, Stephen Wu, Manami Kanamori, Hirofumi Sato, Moon Sun Jang, Yuko Murakami, Suzu Oe, Terumasa Tokunaga, Osamu Hirose, Sayuri Kuge, Takayuki Teramoto, Yuishi Iwasaki, Ryo Yoshida, Takeshi Ishihara, Yuichi Iino
  • 学会等名: 第57回日本生物物理学会年会
• [学会発表] 線虫全脳の機能的イメージングと動態解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 豊島 有
  • 学会等名: 第9回光科学異分野横断萌芽研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Bio-image informatics for whole brain imaging and analysis of neural activity of C. elegans (2019)
  • 著者名/発表者名: Yu Toyoshima, Stephen Wu, Manami Kanamori, Hirofumi Sato, Moon Sun Jang, Yuko Murakami, Suzu Oe, Terumasa Tokunaga, Osamu Hirose, Sayuri Kuge, Takayuki Teramoto, Yuishi Iwasaki, Ryo Yoshida, Takeshi Ishihara, Yuichi Iino
  • 学会等名: Resonance Bio International Symposium
  • 国際学会
• [学会発表] A pipeline of bio-image informatics for whole-brain imaging of C. elegans and analysis of the neural activity (2019)
  • 著者名/発表者名: Yu Toyoshima, Stephen Wu, Manami Kanamori, Hirofumi Sato, Moon Sun Jang, Yuko Murakami, Suzu Oe, Terumasa Tokunaga, Osamu Hirose, Sayuri Kuge, Takayuki Teramoto, Yuishi Iwasaki, Ryo Yoshida, Takeshi Ishihara, Yuichi Iino
  • 学会等名: The 20th International Conference of Systems Biology
  • 国際学会
• [学会発表] 線虫全神経の1細胞遺伝子発現解析と活動計測 (2019)
  • 著者名/発表者名: 豊島 有
  • 学会等名: さきがけ「多細胞」第一回領域会議
• [備考] 飢餓を感知する感覚神経は新たな行動戦略を生み出す
  • URL: https://www.s.u-tokyo.ac.jp/ja/press/2019/6508/
• [備考] 研究室の扉「線虫で記憶と学習のしくみを探る」國友博文准教授、Jang Moon Sun特任研究員
  • URL: https://www.youtube.com/watch?v=_6J1IF4RLdg&list=PLKRUcHwyapafM7VSSkPMGofUzdxCjq_ZY
• [備考] 研究室の扉「全神経細胞のマップをつくる」飯野雄一教授、豊島有助教
  • URL: https://www.youtube.com/watch?v=wZ-1wJbgGdg&list=PLKRUcHwyapafM7VSSkPMGofUzdxCjq_ZY
• [備考] 線虫の全脳神経活動を1細胞レベルで神経回路にマッピングする方法の開発
  • URL: https://www.s.u-tokyo.ac.jp/ja/press/2020/6724/
• [備考] (個々の生きた脳細胞を高速・自動的に同定する)
  • URL: https://www.u-tokyo.ac.jp/focus/en/press/z0508_00093.html